Тепловая машина Земля

Реконструкция эволюции континентов на 700 млн. лет вперед, начиная с современного положения.
Источник: Вестник РАН, т. 75, № 1, 2005 г.

Трехмерная сферическая геодинамическая модель современной Земли, разработанная в Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, претендует на роль наиболее полного описания геодинамики нашей планеты, способного объяснить многочисленные проблемы геологии и геофизики. Сам автор этой модели, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией теоретической геодинамики ИФЗ РАН, Валерий Трубицын, назвал ее теорией тектоники континентов, плавающих на конвективной мантии. Причем Валерий Петрович подчеркивает, что его модель не отрицает принятую теорию тектоники плит. Она существенно дополняет ее, что позволяет просто объяснить многочисленные процессы, происходящие в недрах планеты и на ее поверхности: движение континентов, напряжения в мантии и в самих континентах.

Теория тектоники плит рассматривает Землю как тепловую машину, где конвективная мантия играет роль котла, а литосферные плиты, на которые разбито океаническое дно, – шатунов. Магма, прорываясь сквозь срединно-океанические хребты, раздвигает их и заставляет двигаться континенты.

Однако такое теоретическое описание не может, например, объяснить, почему тепловой поток из мантии оказывается над континентами в три раза меньше, чем над океанами. До сих пор такое несоответствие многие ученые-геофизики пытались объяснить проявлением хаотических процессов, считая, что континенты не оказывают никакого влияния на дрейф плит. Другими словами, считалось, что континенты – легкие включения, которые как бы вморожены в океаническую литосферу, пассивно с нею дрейфуют и не оказывают влияния на глобальные процессы.

Хотя эта модель Земли является в настоящее время основой изучения и интерпретации региональных процессов на период до 100 млн. лет, она не объясняет более длительную историю Земли, рассматривая современные глобальные структуры Земли как непредсказуемый результат хаотической мантийной конвекции. Но как в этом случае соединялись и распадались континенты? К тому же литосферным плитам только около 100 млн. лет, а возраст континентов значительно больше – почти 3,5 млрд. лет.

Валерий Трубицын предложил новую концепцию: континенты играют роль регуляторов в тепловой машине. Выглядит это примерно так.

На земной поверхности температура (~3000K) много ниже температуры плавления вещества мантии (~17000K). Поэтому континенты можно сравнить с ледоколами, плавающими в изменяющемся ледяном поле. «Лед», временно примерзающий к континентам с боков, соответствует океанической литосфере на пассивных окраинах континентов. А «лед», надолго примерзающий снизу, соответствует континентальной литосфере. Но, в отличие ото льда (более легкого, чем вода), тяжелая океаническая литосфера на активных окраинах континентов не остается на поверхности, а погружается под континенты. Благодаря теплоэкранированию тепловой поток, выходящий из мантии через континенты, в три раза меньше, чем через океаны. Поэтому плавающие континенты принципиально изменяют всю эволюцию мантийных течений.

Простые уравнения (конвекции, переноса тепла, сохранения массы и импульса) с правильно подобранными начальными и граничными условиями позволяют описать процессы, которые происходят в недрах и на поверхности Земли. Компьютерное моделирование помогает получить полную картину происходящего с континентами на планете: зарождение и гибель легендарного материка Пангеи и других суперконтинентов, образование океанов и континентов, земной и океанической коры и многих других процессов. Сведения о тепловых потоках, движении материков и гравитационном поле Земли полностью совпали с данными различных измерений.

Как же происходит соединение и распад континентов? Континент, плавающий на поверхности вязкой жидкости с постоянным подогревом, «садится» на нисходящий холодный поток, как в речном водовороте. Вскоре под ним образуется горячий восходящий поток, потому что континент играет роль регулятора или крышки, задерживающей тепло из мантии. Восходящий поток поднимет континент и начнет двигать его в сторону другого нисходящего потока. Каждый из шести материков «сидит» на своем нисходящем потоке, но двигается в сторону более мощного потока. В результате все континенты двигаются друг к другу и образуют суперконтинент. С течением времени под ним образуется новый горячий поток, разрывающий континент вновь.

Такой цикл, по расчетам Трубицына, может продолжаться около 800 млн. лет. Причем континенты играют важную роль, распределяя тепловые потоки, заставляя литосферу постоянно двигаться. Так, через 800 млн. лет материки, вероятно, опять соберутся вместе, образовав новый суперконтинент в районе Южного полюса. Япония буквально вольется в Евразию, проблема спорных островов исчезнет сама по себе.

Автор новой теории считает, что современные вычислительные возможности позволят в будущем просчитывать не только напряжение в континентах, приводящее к землетрясениям, но и разыскивать месторождения полезных ископаемых. Любопытно, что новая геодинамическая модель Земли работает и в приложении для других планет Солнечной системы.

Дело в том, что Венера, Земля и Марс образуют эволюционную последовательность. Эти планеты – гигантские ядерные реакторы. Их первичный нагрев постоянно пополняется теплом распада урана и тория. Горячая Венера покрыта толстой корой подобно саркофагу и поэтому взрывается раз в миллиард лет. Теплоотвод в более холодном Марсе осуществляется вулканами. А вот теплоотвод из мантии Земли регулируется подвижными континентами, постоянно уходящими с мест максимального теплового потока, выходящего через дно океанов. Таким образом, дно океанов – это своеобразные окна, через которые видна конвекция в мантии Земли.